汪曉偉，崔方磊，孫吉明，朱小輝，白建科，朱濤

(1.長安大學地球科學與資源學院，陜西 西安　710054；2.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安　710054)

博格達造山帶東段芨芨臺子地區(qū)早二疊世雙峰式火山巖地球化學特征及其地質(zhì)意義

汪曉偉1,2，崔方磊1,2，孫吉明2，朱小輝2，白建科2，朱濤2

(1.長安大學地球科學與資源學院，陜西 西安710054；2.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安710054)

博格達造山帶東段芨芨臺子地區(qū)早二疊世玄武巖和中酸性火山巖在時空上構成雙峰式火山巖組合，其巖石類型主要為亞堿性玄武巖和流紋巖，主體屬鈣堿性系列。玄武巖SiO2含量為47.70%～51.71%，TiO2含量(1.26%～1.52%)略高于N型大洋中脊玄武巖，高Al(Al2O3=14.06%～20.93%)，富Na貧K(Na2O/K2O=2.34～28.36)，低Mg(MgO=2.99%～8.62%，Mg#為27～52)，表明其玄武巖漿發(fā)生過明顯的橄欖石和輝石的分離結晶作用；玄武巖輕稀土元素略微富集，Eu異常不明顯(δEu=0.85～1.02)，相對富集Rb、Ba、P等大離子親石元素，虧損Nb、Ta、Sr、Ti等不相容元素?；鹕綆r地球化學特征表明，研究區(qū)玄武質(zhì)巖漿來自于虧損巖石圈地幔的部分熔融，且受到一定程度的地殼物質(zhì)混染，顯示了板內(nèi)玄武巖的地球化學特征形成于陸內(nèi)伸展環(huán)境。流紋巖具有較高的SiO2(73.58%～75.45%)和全堿(Na2O+K2O=8.56%～8.79%)含量，以及較低的TiO2(0.12%～0.18%)、Al2O3(12.77%～13.24%)和MgO(平均為0.21%)含量；顯示右傾負斜率稀土配分模式，Eu負異常明顯(δEu為0.52～0.70)，顯著富集Rb、Ba、Th等大離子親石元素，強烈虧損Nb、Ta、Sr、P、Ti等高場強元素，具有A型花崗巖的地球化學特征，為后碰撞伸展環(huán)境下底侵玄武巖漿結晶分異的產(chǎn)物。博格達造山帶東部芨芨臺子地區(qū)雙峰式火山巖的地球化學特征表明，該套火山巖應形成于碰撞后伸展環(huán)境，同時獲得流紋巖鋯石U-Pb年齡為(294.2±1.3)Ma，表明該套火山巖形成于早二疊世早期。這一發(fā)現(xiàn)進一步證實了研究區(qū)在歷經(jīng)石炭紀匯聚碰撞事件后進入二疊紀后碰撞伸展的演化時期，為進一步理解博格達地區(qū)晚古生代構造格局及板塊構造體制提供了重要的地質(zhì)依據(jù)。

博格達造山帶；早二疊世；雙峰式火山巖；巖石成因；后碰撞伸展

中亞造山帶是顯生宙形成的大規(guī)模增生型造山帶，其記錄了西伯利亞板塊與塔里木及華北克拉通相向匯聚、古亞洲洋俯沖消減，以及多種構造單元(島弧、陸緣弧、俯沖增生雜巖和夾持其中的微陸塊等)相互碰撞、拼合的復雜演化歷史(CHEN et al.，2000；DOBRETSOV et al.，1995；XIAO et al.，2004；BADARCH et al.，2002)。天山造山帶位于中亞造山帶的南部邊界，是長期以來研究中亞造山帶晚古生代構造演化的理想場所。近東西向延展的博格達造山帶位于北天山晚古生代造山帶中部，是天山造山帶的重要組成部分，其南北兩側分別被吐哈盆地和準噶爾盆地所夾持，東鄰克拉麥里-莫欽烏拉蛇綠巖帶，大地構造位置十分重要，長期以來備受地質(zhì)學家的廣泛關注，是研究天山造山帶的運動學和動力學過程的理想場所。到目前為止，關于博格達造山帶晚古生代構造屬性的認識國內(nèi)外學者尚有不同的看法，素有裂谷(王利利等，1986；吳慶福，1986；何國琦等，1994；顧連興等，2001a，2001b；王銀喜等，2005，2006；王金榮等，2010；田黎萍等，2010)、島弧(方國慶，1993；馬瑞士等，1997)、弧后盆地(李錦軼等，2004；孫桂華等，2007)和大火成巖省(夏林圻等，2004)之爭。筆者在近幾年對博格達造山帶進行的地質(zhì)調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，由玄武巖和流紋巖組成的雙峰式火山巖在博格達造山帶東段廣泛分布。雙峰式火山巖及相關侵入體巖石組合是全球造山旋回后期階段的產(chǎn)物，可產(chǎn)生堿性-亞堿性玄武巖至過堿性流紋巖巖石系列，形成于不同的構造環(huán)境中(BONIN，2004；CIVETTA et al.，1998；COULON et al.，2002)。由鈣堿性玄武巖和A型流紋巖組成的雙峰式火山巖套通常形成于后碰撞板內(nèi)伸展的構造環(huán)境，通常是被認為由巖漿底侵所造成的地殼連續(xù)作用結果(FROST et al.，2001)。因此，博格達造山帶東段雙峰式火山巖的研究不僅可以成為約束研究區(qū)晚古生代地球動力學環(huán)境的示蹤劑，還可以為研究中亞造山帶大陸增長機制提供關鍵信息。筆者以后碰撞環(huán)境巖漿巖的地球化學特征為主線，對出露在博格達造山帶東段芨芨臺子一帶的早二疊世雙峰式火山巖進行了詳細的巖石學、巖石地球化學、同位素年代學研究，并進一步探討其巖石成因、構造屬性，以期為研究中亞造山帶南部邊界碰撞后構造演化過程提供新的線索。

1　地質(zhì)概況及巖石學特征

研究區(qū)位于博格達造山帶東段芨芨臺子地區(qū)，北臨準噶爾盆地，南隔吐哈盆地和覺羅塔格石炭紀火山巖帶相鄰，東以紅柳峽-蘇吉斷裂與克拉麥里-莫欽烏拉晚古生代蛇綠巖相接，是3個主要大地構造單元交匯的部位(圖1a)(馬瑞士等，1997；SHU et al.，1999)。研究區(qū)石炭紀地層分布最為廣泛，可以分為下石炭統(tǒng)七角井組和上石炭統(tǒng)柳樹溝組，是該區(qū)出露的最古老的巖層，其七角井組主要為火山碎屑巖和中細粒砂巖、泥巖等陸源碎屑巖，柳樹溝組為中基性火山巖、火山碎屑巖及少量砂巖，兩者多為不整合或斷層接觸。二疊系在調(diào)查區(qū)內(nèi)只發(fā)育有早二疊世地層，即下二疊統(tǒng)石人子溝組和三塘湖組。其中，石人子溝組往往與三塘湖組伴生，為一套正常的沉積碎屑巖，偶夾火山碎屑巖；三塘湖組為一套典型的陸相噴發(fā)火山巖建造，主體為火山巖熔巖、火山碎屑巖和碎屑沉積巖(紫紅色礫巖、粗砂巖、雜砂巖和砂巖)，火山活動由多以溢流相開始，以溢流-爆發(fā)-沉積相或溢流-沉積相結束，多以噴發(fā)不整合方式覆于不同時代的下伏地層之上，構成碰撞后伸展環(huán)境的一個重要標志。侵入巖以二疊紀中基性-中酸性巖石為主，大多呈巖株狀廣泛侵入石炭系地層中(圖1b)。雙峰式火山巖以巴里坤縣芨芨臺子地區(qū)早二疊世三塘湖組南北向剖面為代表，主要巖性為灰黑色玄武巖、紫紅色礫巖、含礫粗砂巖、砂巖、凝灰質(zhì)砂巖、薄層狀粉砂巖、巖屑晶屑凝灰?guī)r，另有少量的流紋巖(圖2)。該剖面上玄武巖與流紋巖的比例約為3∶1，且缺乏中間組分，從而構成雙峰式火山巖。玄武巖呈灰黑色塊狀構造，斑狀結構，斑晶含量較低，成分主要為斜長石和輝石。其中斜長石多呈短柱狀，板狀，半自形-自形，粒徑約為1.2～2mm，斜長石多以拉長石和中長石為主，發(fā)育卡納復合雙晶，環(huán)帶結構發(fā)育；輝石以單斜輝石為主，大多為他形粒狀，發(fā)育有暗邊化，半自形-自形，偶見輝石式解理，大多充填于斜長石格架之中?；|(zhì)為間粒結構，由斜長石微晶和輝石、磁鐵礦小顆粒組成，巖石后期發(fā)生顯著蝕變，暗色礦物普遍發(fā)生綠泥石化，斜長石普遍黏土化。流紋巖呈灰紅色，致密堅硬，碎塊呈棱角狀，斑狀結構，流紋構造或塊狀構造，定向構造明顯，斑晶含量約占巖石總體積的15%～20%，其成分主要為石英和鉀長石。其中鉀長石多為自形-半自形板條狀，大小約為0.3～0.8mm；石英呈他形粒狀，多被溶蝕，可見波狀消光?；|(zhì)主要為長英質(zhì)集合體，可見明顯的礦物定向拉伸，普遍發(fā)育綠泥石化以及絹云母化等次級蝕變。

2　火山巖地球化學特征

2.1樣品采集及分析測試

雙峰式火山巖樣品在野外采集共8件，其中全巖及微量元素測試樣品7件，LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年樣品1件。對采集樣品經(jīng)表面雜質(zhì)清除后，切割去除風化面，在瑪瑙研缽中無污染破碎研磨到200目供化學分析。全巖及微量元素測試分析由西安地質(zhì)礦產(chǎn)研究所完成。主量元素除FeO和LOI采用標準濕化學法分析外，其他元素均采用PW4400型X螢光光譜儀XRF測定，分析誤差低于5%；微量元素和稀土元素采用X-Series II型電感耦合等離子質(zhì)譜儀ICP-MS測定，檢測限優(yōu)于5×10-9，相對標準偏差也優(yōu)于5%。

1.第四紀沖洪積物；2.中下侏羅統(tǒng)水西溝群；3.漸新統(tǒng)桃樹園組；4.下二疊統(tǒng)石人子溝組；5.下二疊統(tǒng)三塘湖組；6.上石炭統(tǒng)柳樹溝組；7.下石炭統(tǒng)七角井組；8.晚二疊世鉀長花崗巖；9.晚二疊世輝綠巖；10.早二疊世輝綠巖；11.早二疊世橄欖巖-輝長巖；12.斷層及角度不整合；13.采樣位置圖1　博格達造山帶東段芨芨臺子地區(qū)地質(zhì)略圖(據(jù)1∶25萬三道嶺幅建造構造圖修改，2009)Fig.1　Schematic geological tectonic map of Jijitaizi area of Bogda suture zone (After reference 1 to 250 thousand Sandaoling construction of structural map, 2009)

1.礫巖；2.含礫粗砂巖；3.砂巖；4.凝灰質(zhì)砂巖；5.粉砂巖；6.凝灰質(zhì)粉砂巖；7.晶屑巖屑凝灰?guī)r；8.玄武巖；9.流紋巖； 10.輝綠巖；11.斷層；12.產(chǎn)狀；13.采樣位置及編號圖2　博格達造山帶芨芨臺子地區(qū)早二疊統(tǒng)三塘湖組火山巖剖面Fig.2　Profile for volcanic rocks of the early Permian Santanghu Formation near Jijitaizi area of Bogda suture zone

鋯石樣品在河北省地勘局廊坊實驗室內(nèi)完成處理。首先經(jīng)過破碎，經(jīng)淘洗、浮選和電磁選方法富集鋯石，再在雙目鏡下用手工方法逐個挑選晶型完好、無裂隙、干凈透明的鋯石顆粒制作樣靶，用環(huán)氧樹脂固定，固化后將靶上的鋯石顆粒打磨至中心部位露出后，進行拋光并進行陰極發(fā)光(CL)研究和LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素組成分析。陰極發(fā)光在長安大學西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點實驗室掃描電鏡加載陰極發(fā)光儀上完成。鋯石U-Pb同位素測定在天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所分析測試中心完成。分析儀器采用德國Microlas公司生產(chǎn)的GeoLas200M激光剝蝕系統(tǒng)與Elan6100DRC-ICP-MS聯(lián)機上進行測定，分析采用的激光斑束直徑為30μm，激光脈沖為10Hz，能量為32～36mJ，激光剝蝕樣品的深度為20～40μm，鋯石年齡測定采用國際標準鋯石91500作為外部標準物質(zhì)。所得數(shù)據(jù)用Glitter(ver4.0, Mac Quarie University)程序進行計算和處理并對其進行普通鉛校正。所有樣品均采用206Pb/238U年齡，年齡計算及諧和圖采用Isoplot(ver3.0)完成。單個數(shù)據(jù)點的誤差均為1σ，其加權平均值的置信度為95%。

2.2主量元素地球化學特征

新疆博格達造山帶東段芨芨臺子北部地區(qū)早二疊世三塘湖組雙峰式火山巖樣品主量元素分析結果及特征參數(shù)見表1。

由表1可以看出，全區(qū)火山巖樣品可明顯分為基性和酸性2個端元，其SiO2含量分別為47.70%～51.71%和73.58%～75.45%，具有明顯的Daly間斷，在時空上構成經(jīng)典的雙峰式火山巖組合。

根據(jù)Zr/TiO2-SiO2圖解(圖3a)和AFM圖解(圖3b)可以看出,研究區(qū)火山巖主要巖石類型為：亞堿性玄武巖和流紋巖，主體屬鈣堿性系列。玄武巖全堿含量較低(Na2O+K2O=4.11%～6.47%)，Na2O含量為3.18%～6.10%，K2O含量為0.37%～1.63%，總體上具有富Na貧K的特點(Na2O/K2O=2.34～28.36)；TiO2含量為1.26%～1.52%，總體上略高于N-MORB(WILSON, 1989)(TiO2≈1.15%)；Al2O3含量(14.06%～20.93%)較高，MgO含量較低，為2.99%～8.62%，Mg#為27～52，低于典型的MORB的Mg#(RAPP, 1997)(Mg#=60)。與此相反，流紋巖具有較高的全堿含量(Na2O+K2O=8.56%～8.79%)，相對富K(Na2O=3.79%～4.20%，K2O=4.36%～5.00%，Na2O/K2O=0.76～0.96)，貧TiO2(TiO2=0.12%～0.18%)和MgO(MgO均值為0.21%，Mg#為6.36～11.57)，以及較低的Al2O3(Al2O3=12.77%～13.24%)值。流紋巖樣品A/CNK值為1.06～1.07，屬弱過鋁質(zhì)系列，表現(xiàn)出A型花崗巖的地球化學特征。

表1　博格達造山帶東段芨芨臺子地區(qū)早二疊世火山巖主量元素(%)和微量元素(10-6)分析結果

續(xù)表1

樣品號BD-67HBD-68HBD-69HBD-71HBD-35HBD-36HBD-38H巖性玄武巖玄武巖玄武巖玄武巖流紋巖流紋巖流紋巖TiO21.521.261.351.290.170.180.12P2O50.260.260.210.270.0200.0200.020MnO0.200.150.100.150.0700.0900.060LOI3.613.731.863.911.450.780.54TOTAL99.9999.97101.03100.13101.2099.99100.20Mg#99.8099.8599.9099.8599.9399.9199.94Cr26231616873.713.816.225.2Ni75.412243.625.47.135.638.51Co39.341.727.925.25.212.221.58Li21.924.56.3231.78.809.9813.6Rb2.8723.223.85.4710413498.1Cs0.714.880.510.651.461.470.76Sr40459342573310715885.6Ba125174429272113013101200V2862061712413.963.912.14Sc38.424.722.124.813.415.015.0Nb3.024.202.753.339.709.5810.6Ta0.220.340.240.270.760.740.85Zr10611711198.2243228214Hf2.862.962.872.977.016.726.68Ga16.318.417.619.017.315.515.1U0.490.570.190.813.623.483.08Th0.991.700.461.8010.810.712.1Y24.019.320.622.841.035.935.8La9.0413.46.7011.834.629.433.9Ce24.031.218.828.577.263.174.3Pr3.614.303.024.119.627.889.27Nd17.418.514.818.236.731.237.5Sm4.674.534.014.798.827.218.16Eu1.491.381.441.391.901.641.33Gd5.284.544.585.128.307.057.36Tb0.830.700.740.831.381.151.20Dy4.913.984.344.638.056.856.84Ho1.000.770.880.941.621.411.39Er2.762.082.372.614.644.054.02Tm0.420.320.360.400.740.660.64Yb2.742.002.302.655.044.464.26Lu0.400.310.350.390.780.740.69∑REE78.5588.0164.6986.36199.39166.80190.86δEu0.910.921.020.850.670.700.52

圖3　(a)火山巖Zr/TiO2-SiO2和(b)TFeO-Na2O+K2O-MgO圖解(a)據(jù)WINCHESTER and FLOYD , 1977；(b)據(jù)PEARCE，1996Fig.3　(a)Zr/TiO2-SiO2 and (b)TFeO-Na2O+K2O-MgO diagrams of the volcanic rocks

2.3稀土及微量元素地球化學特征

芨芨臺子地區(qū)玄武巖稀土元素總量為64.69×10-6～88.01×10-6，ΣLREE/ΣHREE為3.06～4.99。在稀土元素球粒隕石標準化配分模式圖(圖4a)上表現(xiàn)為LREE輕度富集，輕重稀土元素之間存在微弱的分異現(xiàn)象，(La/Yb)N為1.96～4.52，(La/Sm)N為1.05～1.86，(Gd/Yb)N為1.55～1.83，δEu為0.85～1.02，平均為0.93，Eu異常不明顯，整體上接近平坦型的配分模式。在微量元素原始地幔標準化蛛網(wǎng)圖(圖5a)上，研究區(qū)玄武巖總體呈現(xiàn)較為一致的分布模式，不相容元素Rb、Ba、Th、P等含量較高，Nb、Ta、Sr 、Ti等較相鄰元素顯示較弱的負異常，具有較低的HFSE/LREE值(Nb/La=0.28～0.41)，表明其原始巖漿可能受到過一定程度的地殼混染，或表明幔源巖漿在殼內(nèi)次生巖漿房中曾發(fā)生過輝石和鈦氧化物的分離結晶(PIN et al.，1993)，樣品具有一定的Sr虧損，表明這些地段的巖漿可能受到過地殼物質(zhì)的混染或曾經(jīng)在低壓下經(jīng)歷過斜長石的分離結晶。這些地球化學特征類似于世界上典型的大陸溢流玄武巖、大陸裂谷玄武巖以及我國東部新生代大陸裂谷玄武巖(CONDIE，1989；WILSON，1989)。

圖4　火山巖稀土元素球粒隕石標準化配分曲線(球粒隕石標準化數(shù)據(jù)據(jù)BOYNTON，1984)Fig.4　The rare earth elements distribution patterns of the volcanic rocks

圖5　火山巖微量元素原始地幔標準化蛛網(wǎng)圖(原始地幔標準化值引自SUN and MCDONOUGH，1989)Fig.5　Primitive mantle normalized trace element spidergrams of the volcanic rocks

流紋巖稀土元素總量相對于玄武巖較高且LREE相對富集，稀土總量為166.80×10-6～199.39×10-6，輕重稀土分異明顯，ΣLREE/ΣHREE為5.33～6.23，(La/Yb)N為4.44～5.37，(La/Sm)N為2.47～2.61，(Gd/Yb)N為1.28～1.39。在球粒隕石標準化稀土配分圖上(圖4b)，具有右傾負斜率稀土配分模式，LREE相對富集，具顯著的Eu負異常(δEu為0.52～0.70)，與典型的地殼重熔型花崗巖的稀土分配型式相似(WINCHESTER et al.,1977)。在流紋巖微量元素原始地幔標準化蛛網(wǎng)圖(圖5b)上，體現(xiàn)了明顯的大離子親石元素(LILE)(Rb、Ba、Th、Zr、Hf和LREE)富集，Sr、Nb、Ta、Ti和P虧損的特點，具典型的A型花崗巖的地球化學特征，表明其是在伸展拉張背景下巖漿作用的結果(DAVIES et al.,1987；CONDIE，1986)。

2.4鋯石CL分析和LA-ICP-MS法U-Pb測年

筆者對芨芨臺子地區(qū)雙峰式火山巖中的流紋巖樣品(樣品號BD-36)進行了鋯石U-Pb定年。該巖石中的鋯石大多無色透明，顆粒較大，呈短柱狀或長條狀，長約70～140μm，寬30～70μm，粒徑比約為2∶1，晶面清晰，CL圖像(圖6)顯示這些鋯石均發(fā)育有清晰的巖漿震蕩環(huán)帶，表明其為典型的巖漿鋯石。本次鋯石LA-ICP-MS法U-Pb測年獲得有效測試數(shù)據(jù)為9個，具體分析結果見表2。在一致曲線圖中(圖7)，獲得9個數(shù)據(jù)點的206Pb/238U加權平均年齡為(294.2±1.3)Ma(MSWD=0.30，置信度95%)，代表了流紋巖的形成時代。野外剖面觀察表明，研究區(qū)玄武巖和流紋巖空間上緊密伴生，具有相近的形成時代，因此本套雙峰式火山巖形成時代應屬于早二疊世早期。

3　討論

3.1巖石成因及其構造環(huán)境

在近代火山活動及其形成巖系的研究中人們認識到，各種各樣的火山巖及其共生組合在地球表面的分布具有很強的規(guī)律性，這種規(guī)律性首先決定于源巖的性質(zhì)，其次受構造環(huán)境的制約。不同的火山巖共生組合往往反映其生成的大地構造背景，并代表著地殼演化的不同階段。筆者依據(jù)野外實際觀察，以及從主量、微量和稀土元素等方面進行的地球化學研究，發(fā)現(xiàn)芨芨臺子地區(qū)早二疊世玄武巖和流紋巖在空間上緊密伴生，且前者分布范圍大于后者；地球化學方面，SiO2含量存在明顯的Daly間斷，各主要氧化物變化也都集中在兩個區(qū)域，微量和稀土元素含量特征也具有明顯的不連續(xù)性。這些特征表明，芨芨臺子地區(qū)基性熔巖和酸性熔巖組合為一套典型的雙峰式火山巖組合。通常利用已知噴發(fā)環(huán)境的年輕火山巖的主量元素和微量元素的特征來判別古老火山巖的形成環(huán)境已經(jīng)成為非常有用的切實可行的方法，尤其Ti、Zr、Y、Nb、REE等這些惰性元素已成功用于火山巖形成的構造環(huán)境判別。由主量元素特征可以看出，研究區(qū)玄武巖富Na貧K(Na2O/K2O=2.34～28.36)，TiO2含量(1.26%～1.52%)總體上略高于N-MORB(WILSON, 1989)(TiO2≈1.15%)，具高Al(Al2O3含量為14.06%～20.93%)、低Mg(MgO含量為2.99%～8.62%，Mg#為27～52)的地球化學特征，暗示著其明顯不同于洋脊玄武巖和大陸裂谷堿性玄武巖，而與大陸裂谷玄武巖十分相似(HYNDMAN，1985)，可能反映當時地殼較薄、拉張速度較快，巖漿部分熔融程度較高(舒良樹等，2005)。從表1可以看出，研究區(qū)玄武巖主量元素K2O/TiO2=0.09～1.21，K2O/P2O5=0.54～7.76，表明其巖漿組分可能受到一定程度的陸殼物質(zhì)混染，而陸殼物質(zhì)混入通常會對基性熔巖Ta、Nb等元素的含量產(chǎn)生較大的影響，并導致巖石出現(xiàn)明顯的Nb、Ta負異常(圖5a)，在構造環(huán)境恢復的過程中可能會誤判為島弧環(huán)境(ERNST et al.，2005；夏林圻等，2007)。Zr、Y等元素的含量受地殼物質(zhì)混染影響不大，可以較準確地反映玄武巖的形成環(huán)境(夏林圻等，2007)，研究區(qū)玄武巖Zr含量為98.20×10-6～117.00×10-6，Y含量為19.30×10-6～24.00×10-6，Zr/Y值為4.31～6.06，在Zr-Zr/Y圖解(圖8)中，樣品主體均落入板內(nèi)玄武巖區(qū)域，表明其形成于板內(nèi)伸展環(huán)境。研究區(qū)流紋巖樣品富Si和全堿，相對富K，貧TiO2和MgO，以及較低的Al2O3值，A/CNK值為1.06～1.07，屬弱過鋁質(zhì)系列，與鋁質(zhì)A型花崗巖相似。依據(jù)Eby提出的A型花崗巖的地球化學分類，列如相對較低的Nb/Y值(0.13～0.22)，研究區(qū)流紋巖屬于A2型花崗巖，應為后碰撞伸展環(huán)境下巖漿作用產(chǎn)物，與玄武巖所顯示的陸內(nèi)伸展構造環(huán)境也完全一致。

圖6　芨芨臺子地區(qū)流紋巖樣品(樣號BD-36)的鋯石CL照片F(xiàn)ig.6　CL images diagram of the Jijitaizi rhyolite rocks (Sample No. BD-36)

雙峰式火山巖的基性端元源自于地幔巖部分熔融的成因模式基本得到學術界認同，研究區(qū)玄武巖微量元素Ni(25.40×10-6～122.00×10-6)和Cr(73.70×10-6～316.00×10-6)遠低于判別原始巖漿的參考數(shù)值(WENDLANDT et al.，1995)(Ni≈250.00×10-6，Cr≈300.00×10-6)，暗示著它們并非代表原始巖漿，很有可能在巖漿房或者巖漿通道中出現(xiàn)了橄欖石和輝石的分離結晶，這也與巖石斑晶中出現(xiàn)輝石斑晶及較低的Mg#值結果相吻合。微量元素比值特征通常是判別巖漿源區(qū)的常用手段之一，該區(qū)玄武巖Zr/Nb值為0.96～3.85(均小于16)，從火山巖Zr-Nb圖解(圖9a)分析表明玄武巖的母巖巖漿可能來自于較為虧損的地幔(CONDIE，1989)。

表2　博格達造山帶芨芨臺子地區(qū)早二疊世雙峰式火山巖LA-ICP-MS U-Pb測試結果

圖7　芨芨臺子地區(qū)流紋巖樣品(樣號BD-36)的LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡諧和圖Fig.7　LA-ICP-MS zircon U-Pb condordia diagram of the Jijitaizi rhyolite rocks (Sample No. BD-36)

另外值得注意的是，由于地殼巖石或其熔融體中具有較低的Nb、Ta含量，因此地殼混染作用會導致巖漿中的Nb、Ta等元素含量降低，從而給出明顯的Nb、Ta負異常等信息。在微量元素原始地幔標準化蛛網(wǎng)圖(圖5a)上，研究區(qū)玄武巖Nb、Ta等元素相對虧損，表明源區(qū)可能有地殼物質(zhì)的加入(ROLILNSON，1993；TAYLOR et al.，1985；RUDNICK et al.，1995；CAROLINE et al.，2006)。此外，較高的La/Nb、Ba/Nb和Ba/La值(WEAVER et al.,1984；WEDEPOHL，1995)，通常也是地殼混染作用的有效指標，如果幔源玄武質(zhì)巖漿遭受到大陸地殼物質(zhì)的混染，巖漿中的不相容元素如La或Ba就會相對于Nb明顯增高，從而具有高的La/Nb、Ba/Nb和Ba/La值，研究區(qū)玄武巖La/Nb為2.44～3.54，Ba/Nb為41.43～156.00，Ba/La為12.99～64.03，遠大于原始地幔(Weaver，1991)(La/Nb≈0.94，Ba/Nb≈9.00，Ba/La≈9.60)和N-MORB(WEAVER，1991)(La/Nb≈1.07，Ba/Nb≈4.30，Ba/La≈4.00)，且在微量元素La/Nb-La/Ba對比圖解(圖9b)中，樣品所投區(qū)域均顯示巖漿來自于地殼混染的巖石圈地幔，表明幔源玄武質(zhì)巖漿在后期上升過程中可能受到一定程度的地殼物質(zhì)混染。弧陸碰撞帶是新生地幔物質(zhì)與古老地殼相結合的最佳場所，而發(fā)生在晚石炭世的東天山弧陸碰撞正好提供了這樣的條件。另外通過主量元素對比推斷，研究區(qū)玄武巖漿可能來自于交代的巖石圈地幔而不是軟流圈地幔，不同的地幔橄欖巖的部分熔融產(chǎn)生的基性巖漿中TiO2含量不同，該區(qū)玄武質(zhì)巖石TiO2含量為1.26%～1.52%，總體上略高于N-MORB(WILSON, 1989)(TiO2≈1.15%)，遠低于軟流圈地幔來源的對比值，比較類似于LIEGEOIS et al.(1998)所歸納的形成于后碰撞背景下的玄武巖。

圖8　火山巖Zr-Zr/Y構造環(huán)境判別圖解(據(jù)PEARCE，1982)Fig.8　Zr-Zr/Y tectonic environments discrimination diagram of the volcanic rocks(After Pearce, 1982)

通常認為雙峰式火山巖中酸性端元有兩種成因，即基性巖漿分離結晶成因和地殼物質(zhì)部分熔融成因?；詭r漿分離結晶成因是指酸性端元和基性端元具有共同的幔源母巖漿，在分離結晶過程中幾乎沒有陸殼物質(zhì)的加入(GROVE et al.,1986；MACDONALD et al.，1987)，兩個端元巖石具有相似的微量元素特征(BROUXEL et al.，1987)，且基性端元比例較大；地殼物質(zhì)部分熔融成因是指基性巖漿在侵入地殼的過程中，使地殼物質(zhì)發(fā)生部分熔融而產(chǎn)生酸性巖漿(HOLMS，1931；SIGURDSSON，1997)，酸性端元通常比基性端元產(chǎn)出面積大的多(DAVIES et al.,1987；HUPPERT et al.,1988)。通過對芨芨臺子地區(qū)早二疊世三塘湖組雙峰式火山巖野外實際觀察，玄武巖分布面積明顯大于流紋巖(分布比例約為3∶1)；在巖石地球化學方面，兩端元巖石微量元素含量及微量元素標準化曲線形態(tài)相似，反映了兩者之間具有一定的成因聯(lián)系。研究區(qū)流紋巖具有典型的A型花崗巖的地球化學特征，對于A型花崗巖的巖石成因有以下幾種解釋：①長英質(zhì)地殼的部分熔融。②地幔起源的拉斑質(zhì)和堿性巖漿的直接分離結晶。③地殼起源的長英質(zhì)巖漿和地幔起源的鎂鐵質(zhì)巖漿的混合。地殼和地幔的相互作用已廣泛成為解釋A型花崗巖源區(qū)的理論，地幔端元既可以作為熱能又可以作為重要的儲層。這也就成為解釋高鉀流紋巖成因的一個通用的特定多端元模型，指示研究區(qū)流紋巖來源于區(qū)域伸展背景下底侵玄武巖漿的部分熔融。因此，博格達造山帶東段芨芨臺子地區(qū)早二疊世雙峰式火山巖的玄武巖漿可能起源于交代巖石圈地幔的部分熔融，流紋巖起源于玄武質(zhì)巖漿的分離結晶。

3.2地質(zhì)意義

中國天山造山帶經(jīng)歷了一個錯綜復雜的構造演化過程，包括晚古生代增生和碰撞，中生代熱沉降和新生代逆沖推覆和隆升。碰撞后的走滑和轉(zhuǎn)換拉伸作用改造了造山帶原始的地質(zhì)構造，使得原始的地質(zhì)構造特征很難辨認。

前期研究表明，天山地區(qū)在晚泥盆紀到早二疊紀期間經(jīng)歷了西伯利亞板塊和塔里木板塊的碰撞，且早二疊紀之后進入了碰撞后構造巖漿作用。這個構造機制的轉(zhuǎn)變應發(fā)生在大陸碰撞和俯沖結束之后。碰撞后的地質(zhì)作用以大規(guī)模的走滑斷裂和雙峰式火山巖漿為主。有效的地質(zhì)學資料、運動學觀測和古地磁證據(jù)表明研究區(qū)石炭紀匯聚事件之后進入二疊紀大規(guī)模后碰撞轉(zhuǎn)換拉伸構造演化階段。博格達造山帶東段芨芨臺子地區(qū)早二疊世雙峰式火山巖的地球化學特征顯示該套火山巖可能為弧火山巖在造山后期伸展裂陷環(huán)境中的火山作用產(chǎn)物，具有板內(nèi)成因的特點，進一步證實了博格達造山帶在經(jīng)歷石炭紀匯聚事件之后進入大規(guī)模后碰撞轉(zhuǎn)換拉伸構造演化階段，也代表著博格達地區(qū)由碰撞匯聚到伸展拉張這個地球動力學環(huán)境的重大轉(zhuǎn)折，也為進一步理解天山地區(qū)晚古生代構造格局及板塊構造體制提供了重要的地質(zhì)依據(jù)。

圖9　(a)玄武巖Zr-Nb圖解和(b)La/Nb-La/Ba圖Fig.9　(a) Zr-Nb and (b) La/Nb-La/Ba diagrams of the basalt rocks

4　結論

(1)博格達造山帶東段芨芨臺子地區(qū)早二疊世三塘湖組火山巖可明顯分為基性和酸性兩個端元，其SiO2含量分別為47.70%～51.71%和73.58%～75.45%，具有明顯的Daly間斷，在時空上構成經(jīng)典的雙峰式火山巖組合，通過精確的LA-ICP-MS鋯石U-Pb方法，獲得其形成年齡為(294.2±1.3)Ma，屬于早二疊世早期。

(2)根據(jù)詳細的巖石學和地球化學研究，芨芨臺子地區(qū)早二疊世雙峰式火山巖可能為弧火山巖在造山后期伸展裂陷環(huán)境中的火山作用產(chǎn)物，具有板內(nèi)成因的特點，其玄武巖漿可能起源于虧損巖石圈地幔的部分熔融，且在其上升過程中可能受到一定程度的地殼物質(zhì)混染，流紋巖起源于玄武質(zhì)巖漿的分離結晶。

(3)芨芨臺子地區(qū)早二疊世雙峰式火山巖的厘定進一步證實了博格達造山帶在石炭紀匯聚碰撞事件之后進入大規(guī)模后碰撞轉(zhuǎn)換拉伸構造演化階段，也代表著其地球動力學環(huán)境由碰撞擠壓到伸展拉張的重大轉(zhuǎn)折，為進一步理解博格達地區(qū)晚古生代構造格局及板塊構造體制提供了重要的地質(zhì)依據(jù)。

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Geochemical Characteristics and its Significance of the Early Permian Bimodal Volcanic Rocks in Jijitaizi Area, East of the Bogda Orogenic Belt

WANG Xiaowei1,2,CUI Fanglei1,2, SUN Jiming2, ZHU Xiaohui2, BAI Jianke2, Zhu Tao2

(1.Collegeof Earth Science and Resources of Chang' an University, Xi'an 710054, Shaanxi, China；2.Xi'an Center of Geological Survey, China Geological Survey, Xi'an 710054, Shaanxi, China)

The early Permian Bogda orogenic basalts and acidic volcanic rocks, developed in the Jijitaizi area of the eastern section of Bogda orogenic belt, are bimodal volcanic rocks, which are composed by sub-alkaline basalt and rhyolite, mainly belonging to the calc-alkaline series. The basalts have high values of Al(Al2O3=14.06%-20.93%), Na2O/K2O(2.34-28.36) and TiO2(1.26%-1.52%), which are slightly higher than the ones of N-MORB, and they have low contents of Mg(MgO=2.99%-8.62%, Mg#=27-52). These major element characteristics indicate that these basalts had experienced an obvious fractional crystallization of olive and pyroxene during basaltic magmatism, which were the evolution products of original magma’s fractional crystallization. The basalts are slightly enriched in trace elements (such as Rb, Ba and P), with no Eu anormalies(δEu=0.85-1.02), but are relatively depleted in Nb, Ta, Sr and Ti. These trace element characteristics of volcanic rocks suggest that,these basalts were originated from the partial melting of the depleted lithospheric peridotite mantle and had suffered a certain degree of crustal contamination, showing the geochemical features of intraplate basalts formed within the intracontinental extensional environment. The rhyolites of bimodal volcanic rocks have high values of SiO2(73.58%-75.45%) and ALK(Na2O+K2O=8.56%-8.79%), but low contents of TiO2(0.12%-0.18%), Al2O3(12.77%-13.24%) and MgO(average about 0.21%).Their trace elements generally have the enrichment features of Rb, Th and Ba, obvious depletion of Nb, Ta, Sr, P and Ti, and the REE distribution patterns are characterized by LREE enrichment, right-deviation type and obvious depletion of Eu(δEu=0.52-0.70). The REE characteristics indicate that, the rhyolites have similar geochemical characteristics of A-type granite, suggesting that the rhyolites were originated from the fractionation of underplating basaltic magma. The geochemical characteristic of the bimodal volcanic rocks in Jijitaizi area of the eastern section of Bogda orogenic belt indicate that,these volcanic rocks were formed in a post-collisional extensional environment.The LA-ICP-MS zircon U-Pb ages of rhyolites are (294.2±1.3) Ma, suggesting that this set of volcanic rocks was formed in the beginning of early Permian. Our study of the bimodal volcanic rocks in Jijitaizi area indicate that, the research area had witnessed the transitional period of geodynamic environment from Carboniferous collision and compression to Permian stretching and extension, and it could provide an evidence for understanding the tectonic evolution and plate system of the Bogda orogenic belt of the late Paleozoic.

Bogda orogenic belt;early Permian; bimodal volcanic rocks; petrogenesis; post-collisional extensional environment

2015-05-25；

2015-08-20

中國地質(zhì)調(diào)查局項目(1212011220649)，國家自然科學基金項目(41202077)，長安大學優(yōu)秀博士論文培育資助項目(310827150013)

汪曉偉(1988-)，男，陜西西安人，礦物學、巖石學、礦床學專業(yè)在讀博士，主要從事火成巖成因研究。E-mail：wxw04121555@163.com

P595

A

1009-6248(2015)04-0100-15